洪 泉

（沈陽創(chuàng)聯(lián)工業(yè)技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110167）

在金屬應(yīng)用領(lǐng)域，鋁的應(yīng)用程度僅僅次于鋼鐵，它具備導(dǎo)電性能好、密度小、延展性強(qiáng)、耐腐蝕度好等優(yōu)勢。我國在提高電解鋁陽極性能上具有很大的發(fā)展空間。提升電解鋁陽極材料的質(zhì)量，最先要確保原料質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)性，使煅燒質(zhì)量與糊料配料質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)配置比例，使優(yōu)質(zhì)粘結(jié)劑形成[1]。在焙燒工序中，在焙燒爐的設(shè)計和焙燒的合理升溫曲線作為基礎(chǔ)的前提下，充分發(fā)揮設(shè)備技術(shù)優(yōu)勢，把焙燒陽極質(zhì)量保持在一定的標(biāo)準(zhǔn)水平上，這是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高性能陽極的重要保障。提升電解鋁用陽極的質(zhì)量水平，具有著十分重要的現(xiàn)實意義與經(jīng)濟(jì)意義。

1 電解鋁用陽極材料選取

1.1 制備原料

（1）石油焦：被廣泛應(yīng)用在各種各樣的炭材料的生產(chǎn)中，是主要原料之一。一般情況下因為石油焦焦化方法不同，將石油焦分成延遲焦與釜式焦[2]。石油焦的關(guān)鍵特點是灰分低，在高溫的環(huán)境下容易發(fā)生石墨化。石油焦是煉油廠的煉油渣通過一系列的焦化工得到的。石油焦的質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)大體上劃分成：灰分、硫分、揮發(fā)分與1300℃煅燒后的真密度。石油焦的物理化學(xué)性質(zhì)參數(shù)包含真密度、電阻率、孔隙率、灰分、揮發(fā)分、硫分、熱膨脹系數(shù)以及機(jī)械性能等。石油焦質(zhì)量與可利用性對電解鋁具有重要影響，質(zhì)量較好的石油焦制備形成的電解鋁用陽極性能穩(wěn)定，陽極電流密度高、電流效率也有大幅度的提高。

（2）煤瀝青：煤瀝青中的碳石墨化程度相對較高，在鋁用陽極生產(chǎn)時作為粘結(jié)劑使用。加入合適的瀝青的電解鋁用陽極材料具有電阻較小、導(dǎo)電性良好、電容密度大、耗電量少、強(qiáng)度高、使用時間長、熱膨脹小、增加體積密度與機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)勢。

1.2 陽極材料選取原則

電解鋁用陽極材料是以石油焦作為主要原料，煤瀝青為粘結(jié)劑制造而成，作為陽極材料在鋁電解槽上使用。電解鋁用陽極材料需要具有質(zhì)量較高，性能穩(wěn)定，在電解槽中使用消耗量較小、使用過程無有害氣體排放等特點，以下時電解鋁用材料選取原則。

（1）陽極材料的選取需要滿足所選材料質(zhì)量均勻、穩(wěn)定，使電解槽工作時能夠保證穩(wěn)定性，操作簡單，同時可以使降低“陽極效應(yīng)”系數(shù)。

（2）具有較好的抗氟化物腐蝕的能力，在通常規(guī)定電流標(biāo)準(zhǔn)密度下，不能超過當(dāng)年的規(guī)定電極腐蝕速率，而且需要不容易與電解質(zhì)液體發(fā)生氧原子反應(yīng)的材料；

（3）陽極材料選取不應(yīng)超過指標(biāo)參數(shù)，陽極成分在冰晶石-氧化過的熔液中的飽和溶解度小、使消耗量盡可能降低；

（4）能夠達(dá)到制造出大型陽極的目的，能夠進(jìn)行機(jī)械加工，完成和導(dǎo)桿的連接;

1.3 陽極材料性能

（1）抗高溫耐腐蝕性：電解鋁陽極最關(guān)鍵的特點是抗高溫腐蝕性，在電解鋁的電解過程中，腐蝕的類型基本可以分為兩種：第一，電解鋁陽極材料自身的溶解，每種氧化物在氟化物熔鹽中有一定的溶解度，當(dāng)熔體中有鋁時，因鋁和氧化物有強(qiáng)烈的“鋁熱反應(yīng)”，溶解腐蝕可能性會增大；第二，熔鹽對基體的浸蝕，在高溫電解過程中，熔鹽沿著材料的晶界滲透到材料中，腐蝕程度隨溫度升高而增大。

（2）熱抗震性：抗熱震性指電解鋁陽極材料承受溫度的迅速改變但是并不會發(fā)生破壞的能力。這是電解鋁陽極材料的重要工程物理性能之一。由于電解鋁陽性電極材料的需要在高溫下進(jìn)行制備以及應(yīng)用，所以要確保它能夠被放置在高溫熔鹽中卻并不會由于環(huán)境溫度的迅速改變出現(xiàn)裂紋的形成、斷裂現(xiàn)象，電解鋁用陽極材料就必須具備一定的抗熱沖擊性即抗熱震性。

2 電解鋁用陽極材料的制備

2.1 焙燒法制備電解鋁陽極

焙燒的過程是把已經(jīng)成型的生塊放置在隔絕空氣的環(huán)境下進(jìn)行加熱，讓粘結(jié)劑煤瀝青完成炭化過程。瀝青在炭化之后會生成瀝青焦把炭質(zhì)骨料與粉質(zhì)顆粒黏結(jié)在一起，形成成品中的碳質(zhì)網(wǎng)格層，起到加固的功效。焙燒形成的電解鋁用陽極的性能的關(guān)鍵決定性因素之一是焙燒過程中瀝青焦油的轉(zhuǎn)變。通過焙燒法制備的電解鋁陽極的機(jī)械強(qiáng)度較高，電阻率很低，熱穩(wěn)定性較強(qiáng)。所以焙燒法的工藝參數(shù)的設(shè)定尤為重要，焙燒法制備的成本并不低，對于電解鋁用陽極制備過程中，焙燒的升溫曲線和最終溫度是焙燒過程最重要的兩個參數(shù)。在焙燒的過程中，合理的升溫是決定焙燒的關(guān)鍵。升溫速度過快容易使陽極出現(xiàn)裂紋，使電阻率增大。

利用焙燒法制備電解鋁陽極材料流程分為如下的四個階段。第一個階段：低溫預(yù)熱；將制品由室溫升溫至200℃，此時并未出現(xiàn)明顯的物理反應(yīng)，該步驟的主要作用是將吸附水排出，對制品具有預(yù)熱的效果。注意，因為該過程中，黏結(jié)劑會出現(xiàn)很強(qiáng)烈的移動，所以該步驟的升溫要保證速度。第二個階段：具有劇烈變化的中溫階段；保證制品的溫度范圍在200℃到700℃，使揮發(fā)性水能夠被大量去除，粘結(jié)劑也會出現(xiàn)逐漸炭化的現(xiàn)象。在200℃到500℃的升溫過程中，務(wù)必保證升溫的均勻性，一旦升溫速度超過限度，會導(dǎo)致?lián)]發(fā)分被迅速地排出，電解鋁陽極材料產(chǎn)生裂痕，結(jié)構(gòu)硬度弱、孔隙大，體積與密度均下降的后果。第三個階段：高溫?zé)Y(jié)階段；電解鋁陽極制品的溫度將超過700℃，粘結(jié)劑的焦化進(jìn)程大部分結(jié)束。確保焦化進(jìn)程的完整性，深層次提升每一項的指標(biāo)參數(shù)，需將制品的溫度繼續(xù)升高至900到1000℃，在后續(xù)的升溫過程中，即便升溫過快，仍然不會導(dǎo)致電解鋁陽極材料的制備受到影響，除此之外，陽極材料需要在最高溫度下保持15到20個小時。第四階段；冷卻階段；冷卻階段的溫度降低速度需要保持在每小時50℃的標(biāo)準(zhǔn)下。當(dāng)溫度降低到800℃以下時，通常情況下，當(dāng)電解鋁用陽極材料的溫度達(dá)到200℃時，便能夠?qū)⑵淙〕觥?/p>

2.2 電解鋁陽極材料制備流程

圖1 電解鋁用陽極材料制備流程

電解鋁用炭陽極包括兩種自焙陽極和預(yù)焙陽極，當(dāng)前的電解鋁生產(chǎn)中基本采用的是預(yù)焙陽極。預(yù)焙陽極指把混捏好的糊料經(jīng)過振動成型后形成陽極生塊，之后將生塊在一定升溫參數(shù)條件下焙燒，得到炭陽極塊。伴隨著電解鋁工業(yè)的規(guī)?；l(fā)展、現(xiàn)代科技水平的日漸提升，鋁用炭陽極生產(chǎn)已經(jīng)形成了一套成熟度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的工藝體系，電解鋁用陽極生產(chǎn)工藝流程如圖所示，主要流程有石油焦煅燒、原料預(yù)處理、配料、混捏、成型、焙燒、陽極組裝等主要工序。電解鋁用陽極材料制備流程如圖1。

2.3 焙燒過程陽極材料所需能量的計算

在焙燒的化學(xué)反應(yīng)中，標(biāo)準(zhǔn)的自由能借助如下公式進(jìn)行運算。

公式（1）中：(ΣGi)add代表參加反應(yīng)物質(zhì)的生成自由能之和；(ΣGi)pro代表反應(yīng)產(chǎn)物生產(chǎn)的自由能之和；ni代表反應(yīng)物或者是反應(yīng)產(chǎn)物的計算量數(shù)；

3 性能研究

3.1 研究背景

對電解鋁用陽極材料制備的焙燒過程，裝爐位置進(jìn)行優(yōu)化，傳統(tǒng)方式下裝爐位置為底層、中間層、頂層均分；改進(jìn)后的裝爐分配采用中間層占比大，底層、頂層占比小的裝配方式。對比兩種裝配方式下制備的陽極材料的電阻率。

3.2 研究結(jié)果與分析

（1）改進(jìn)前。改進(jìn)前，底層材料電阻率為48.62歐姆＊米，中間材料的電阻率為47.56歐姆＊米，頂層材料的電阻率為48.85歐姆＊米；中間層的電阻率最小。

（2）改進(jìn)后。改進(jìn)后，底層材料電阻率為48.12歐姆＊米，中間材料的電阻率為47.16歐姆＊米，頂層材料的電阻率為48.30歐姆＊米；中間層的電阻率最小。

3.3 研究總結(jié)

改進(jìn)后的裝爐位置使得每一層的電解鋁陽極材料的電阻率均有所降低，底層電阻率由48.62歐姆＊米降低到48.12歐姆＊米；中間層電阻率由47.56歐姆＊米降低到47.16歐姆＊米；頂間層電阻率由47.85歐姆＊米降低到48.30歐姆＊米；頂層的電阻率較高，主要原因是焙燒爐頂層溫度偏低、并且及氣孔率高較高。頂層材料的溫度和底層材料溫度相差不大，然而在焙燒爐頂層火道負(fù)壓、揮發(fā)份能夠被更容易地排出，使焙燒塊氣孔率增大、瀝青焦化效果差，致使電阻率偏高。中間層的材料能夠有效規(guī)避底層材料與頂層材料在焙燒過程出現(xiàn)的缺陷，材料的電阻率小，增大中間層材料占比，在很大程度上能對電解鋁用陽極材料的電阻率進(jìn)行降低。

4 結(jié)論

當(dāng)今國內(nèi)的電解鋁陽極材料的生產(chǎn)中大多數(shù)有存陽極質(zhì)量合格率低、陽極理化指標(biāo)差、陽極毛耗高等問題。應(yīng)用的常規(guī)電解質(zhì)雖導(dǎo)電性能優(yōu)，但對陽極腐蝕強(qiáng)，所以在研究電解鋁陽極材料時，需要將與電解質(zhì)的影響關(guān)系納入研究范圍內(nèi)。在相關(guān)的研究中要重點對有關(guān)問題的改善與解決展開研究，提高我國的電解鋁用陽極材料的使用性能。